Influence of pollination and seed dispersal on the genetic population structure of two Commiphora species in Madagascar and South Africa

Pollination and seed dispersal are important ecological processes for the regeneration of plant populations and both vectors for gene exchange between plant populations. For my thesis, I studied the pollination ecology of the South African tree Commiphora harveyi (Burseraceae) and compared it with C. guillauminii from Madagascar. Both species have low visitation rates and a low number of pollinating insect species, resulting in a low fruit set. While their pollination ecology is very similar, they differ in their seed dispersal with a low seed dispersal rate in the Malagasy and a high seed dispersal rate in the South African species. This should be reflected in a stronger genetic differentiation among populations in the Malagasy than in the South African species. My results, based on AFLP markers, contradict these expectations, the overall differentiation was lower in the Malagasy (FST = 0.05) than in the South African species (FST = 0.16). However, at a smaller spatial scale (below 3 km), the Malagasy species was genetically more strongly differentiated than the South African species, which was reflected by the high inter-population variance within the sample site (C. guillauminii: 72.2 - 85.5 %; C. harveyi: 8.4 - 14.5 %). This strong differentiation could arise from limited gene flow, which was confirmed by spatial autocorrelation analyses. The shape of the autocorrelogram suggested that gene exchange between individuals occurred only up to 3 km in the Malagasy species, whereas up to 30 km in the South African species. These results on the genetic structure correspond to the expectations based on seed dispersal data. Thus, seed dispersal seems to be a key factor for the genetic structure in plant populations on a local scale.

Impact of forest fragmentation and disturbance on the endangered tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

Anthropogene Fragmentierung und Störung von Wäldern beeinflussen ökologische Prozesse. Darüber hinaus werden genetische Drift und Inzucht verstärkt und die Fitness von Populationen beeinträchtigt. Um die Einflüsse von Fragmentierung und Störung auf die Biodiversität und Prozesse in tropischen Wäldern zu ermitteln, habe ich im „Kakamega Forest“, West-Kenia, die Baumart Prunus africana genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf (i) der Frugivorengemeinschaft und Samenausbreitung, (ii) der Kleinsäugergemeinschaft im Kontext der Samenprädation und (iii) der genetische Populationsstruktur von Keimlingen und adulten Bäumen. Der Vergleich von Keimlingen mit adulten Bäumen ermöglicht es, Veränderungen im Genfluss zwischen Generationen festzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im untersuchten Waldgebiet insgesamt 49 frugivore Arten (Affen und Vögel) vorkommen. Dabei lag die Gesamtartenzahl im zusammenhängenden Wald höher als in den isoliert liegenden Fragmenten. An den Früchten von P. africana konnten insgesamt 36 Arten fressend beobachtet werden. Hier jedoch wurden in Fragmenten eine leicht erhöhte Frugivorenzahl sowie marginal signifikant erhöhte Samenausbreitungsraten nachgewiesen. Der Vergleich von stark gestörten mit weniger gestörten Flächen zeigte eine höhere Gesamtartenzahl sowie eine signifikant höhere Frugivorenzahl in P. africana in stark gestörten Flächen. Entsprechend war die Samenausbreitungsrate in stark gestörten Flächen marginal signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die quantitative Samenausbreitung in fragmentierten und gestörten Flächen etwas erhöht ist und somit eine gewisse Artenredundanz besteht, die den Verlust einzelner Arten ausgleichen könnte. Prunus africana Samen, die auf dem Boden lagen, wurden hauptsächlich von einer Nagerart (Praomys cf. jacksonii) erbeutet. Dabei war in gestörten Waldbereichen eine tendenziell höhere Prädatoraktivität zu beobachten als in weniger gestörten. Zudem waren einzelne Samen im Gegensatz zu Samengruppen in gestörten Flächen signifikant höherem Prädationsdruck ausgesetzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fragmentierung sowie anthropogene Störungen auf unterschiedliche Prozesse im Lebenszyklus eines tropischen Baumes gegensätzliche Effekte haben können. Eine Extrapolation von einem auf einen anderen Prozess kann somit nicht erfolgen. Die genetische Differenzierung der adulten Baumpopulationen war gering (FST = 0.026). Der Großteil ihrer Variation (~ 97 %) lag innerhalb der Populationen, was intensiven Genfluss in der Vergangenheit widerspiegelt. Die genetische Differenzierung der Keimlinge war etwas erhöht (FST = 0.086) und ~ 91 % ihrer Variation lag innerhalb der Populationen. Im Gegensatz zu den adulten Bäumen konnte ich für Keimlinge ein „Isolation-by-distance“-Muster feststellen. Somit sind erste Hinweise auf begrenzten Genfluss im Keimlingsstadium infolge von Fragmentierung gegeben. Obwohl die Momentaufnahmen im Freiland keine Abnahme in der Frugivorenzahl und Samenausbreitung von P. africana als Folge von Fragmentierung beobachten ließen, weisen die Ergebnisse der genetischen Studie auf einen bereits reduzierten Genaustausch zwischen den Populationen hin. Somit lässt sich feststellen, dass die Faktoren Fragmentierung und Störung genetische Diversität, ökologische Prozesse und Artendiversität in Wäldern jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um Konsequenzen derartiger Einflüsse folgerichtig abschätzen zu können, sind Studien auf unterschiedlichen Diversitätsebenen unabdingbar.

Genetic dynamics across early life stages in the tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

In many plant species, the genetic template of early life-stages is formed by animal-mediated pollination and seed dispersal and has profound impact on further recruitment and population dynamics. Understanding the impact of pollination and seed dispersal on genetic patterns is a central issue in plant population biology. In my thesis, I investigated (i) contemporary dispersal and gene flow distances as well as (ii) genetic diversity and spatial genetic structure (SGS) across subsequent recruitment stages in a population of the animal-pollinated and dispersed tree Prunus africana in Kakamega Forest, West Kenya. Using microsatellite markers and parentage analyses, I inferred distances of pollen dispersal (father-to-mother), seed dispersal/maternal gene flow (mother-to-offspring) as well as paternal gene flow (father-to-offspring) for four early life stages of the species (seeds and fruits, current year seedlings, seedlings ≤ 3yr, seedlings > 3yr). Distances of pollen and seed dispersal as well as paternal gene flow were significantly shorter than expected from the spatial arrangement of trees and sampling plots. They were not affected by the density of conspecific trees in the surrounding. At the propagule stage, mean pollen dispersal distances were considerably (23-fold) longer than seed dispersal distances, and paternal gene flow distances exceeded maternal gene flow by a factor of 25. Seed dispersal distances were remarkably restricted, potentially leading to a strong initial SGS. The initial genetic template created by pollination and seed dispersal was extensively altered during later recruitment stages. Potential Janzen-Connell effects led to markedly increasing distances between offspring and both parental trees in older life stages. This showed that distance and density-dependent mortality factors are not exclusively related to the mother tree, but also to the father. Across subsequent recruitment stages, the pollen to seed dispersal ratio and the paternal to maternal gene flow ratio dropped to 2.1 and 3.4, respectively, in seedlings > 3yr. The relative changes in effective pollen dispersal, seed dispersal, and paternal gene flow distances across recruitment stages elucidate the mechanisms affecting the contribution of the two processes pollen and seed dispersal to overall gene flow. Using the same six microsatellite loci, I analyzed genetic diversity and SGS across five life stages, from seed rain to adults. Levels of genetic diversity within the studied P. africana population were comparable to other Prunus species and did not vary across life stages. In congruence with the short seed dispersal distances, I found significant SGS in all life stages. SGS decreased from seed and early seedling stages to older juvenile stages, and it was higher in adults than in late juveniles of the next generation. A comparison of the data with direct assessments of contemporary gene flow patterns indicate that distance- or density-dependent mortality, potentially due to Janzen-Connell effects, led to the initial decrease in SGS. Intergeneration variation in SGS could have been driven by variation in demographic processes, the effect of overlapping generations, and local selection processes. Overall, my study showed that complex sequential processes during recruitment contribute to the spatial genetic structure of tree populations. It highlights the importance of a multistage perspective for a comprehensive understanding of the impact of animal-mediated pollen and seed dispersal on spatial population dynamics and genetic patterns of trees.

Influence of habitat and climate change on European bird communities

Die Fragmentierung von Waldgebieten, der Verlust geeigneter Habitate, die Invasion exotischer Arten und globale Klimaveränderung haben auf Artengemeinschaften erhebliche Auswirkungen. Vögel dienen in vielen Fällen als Indikatorarten für Umweltveränderungen und, besonders, für Veränderungen im Zusammenhang mit globaler Erwärmung. In meiner Arbeit habe ich zuerst einen Literaturüberblick über die Auswirkungen globaler Klimaveränderung auf die Verbreitungsgebiete, den Artenreichtum und die Zusammensetzung von Vogelgemeinschaften dargestellt. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, daß die Grenzen der Verbreitungsgebiete der meisten Vogelarten mit klimatischen Faktoren korrelieren. Verschiebungen der Verbreitungsgebiete in nördliche Richtung oder in höhere Regionen im Gebirge konnten bereits für viele temperate Vogelarten beobachtet werden. Weiterhin wurde ein zunehmender Artenreichtum besonders in nördlichen Breiten und in höheren Lagen für viele temperate Vogelgemeinschaften vorhergesagt. In trockenen Gebieten ist dagegen mit einer Abnahme des Artenreichtums zu rechnen. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich untersucht, ob beobachtete Veränderungen in der Zusammensetzung europäischer Vogelgemeinschaften tatsächlich durch aktuelle Klimaveränderungen beeinflußt werden. Das Zugverhalten der Arten war dabei ein Schwerpunkt der Untersuchung, weil zu erwarten war, daß Vogelarten mit verschiedenem Zugverhalten unterschiedlich auf Klimaveränderungen reagieren. Ich habe ein Regressionsmodell genutzt, welches die räumliche Beziehung zwischen dem Anteil von Langstreckenziehern, Kurzstreckenziehern und Standvögeln in europäischen Vogelgemeinschaften und verschiedenen Klimavariablen beschreibt. Für 21 Gebiete in Europa habe ich Daten über beobachtete Veränderungen in der Struktur der Vogelgemeinschaften und isochrone Klimaveränderungen zusammengetragen. Mit Hilfe dieser Klimaveränderungen und dem räumlichen Regressionsmodell konnte ich berechnen, welche Veränderungen in den Vogelgemeinschaften aufgrund der veränderten Klimabedingungen zu erwarten wären und sie mit beobachteten Veränderungen vergleichen. Beobachtete und berechnete Veränderungen korrelierten signifikant miteinander. Die beobachteten Veränderungen konnten nicht durch räumliche Autokorrelationseffekte oder durch alternative Faktoren, wie z.B. Veränderungen in der Landnutzung, erklärt werden. Im dritten Teil der Arbeit untersuchte ich für eine mitteleuropäische Vogelgemeinschaft welchen Einfluß Habitatveränderungen, die Invasion exotischer Arten und die Klimaveränderung auf Veränderungen der Häufigkeit und Verbreitungsgröße der 159 Vogelarten am Bodensee zwischen 1980-1981 und 2000-2002 hatten. Dabei konnte gezeigt werden, daß Veränderungen in der regionalen Abundanz sowohl durch Habitatveränderungen als auch durch Klimavänderungen hervorgerufen wurden. Exotische Arten schienen in dieser Zeit keinen bedeutenden Einfluß zu haben. Besonders bei Agrarlandarten, Arten mit nördlicheren Verbreitungsgebieten und bei Langstreckenziehern konnten signifikante Abnahmen in der Abundanz beobachtet werden. Vor allem die anhaltenden negativen Bestandsveränderungen bei Langstreckenziehern und die in den letzten zehn Jahren aufgetretenen Abnahmen nördlicher verbreiteter Vogelarten deuten darauf hin, daß die Klimaveränderung aktuell als der größte Einfluß für Vögel in Europa angesehen werden muß. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß sich der anhaltende Druck auf die Umwelt in erster Linie durch Habitat- und Klimaveränderungen manifestiert.

Artbildung via Wirtsrassen bei Tephritis conura (Diptera: Tephritidae)

Tephritis conura parasitiert verschiedene Kratzdistel-Arten (Cirsium sp.), darunter Cirsium heterophyllum und C. oleraceum. Vorhergehende Studien hatten gezeigt, dass T. conura auf diesen Wirten zumindest partiell reproduktiv isolierte Wirtsrassen ausgebildet hat. Ziel der vorliegenden Arbeit war es durch die Kombination von genetischen und morphometrischen Analysen mit direkten Untersuchungen von potentiellen Isolationsbarrieren einerseits, und die Einbeziehung verschiedener Verbreitungsmuster der Wirtspflanzen andererseits, die Artbildungsprozesse bei T. conura besser zu verstehen. Der Genfluss zwischen Heterophyllum- und Oleraceum-Fliegen wird durch eine Reihe von Isolationsbarrieren eingeschränkt: Habitatspräferenzen und Unterschiede im Zeitpunkt der sexuellen Aktivität wirken als präzygotische Barrieren, mangelnde Adaptation der Larven an den Alternativwirt sowie möglicherweise genomische Inkompatibilitäten bei Hybriden stellen postzygotische Barrieren dar. Das Maß der genetischen Differenzierung (Allozyme und mtDNA) lässt den Schluss zu, dass diese Barrieren in einer nahezu kompletten reproduktiven Isolation resultieren, so dass Heterophyllum- und Oleraceum-Fliegen eher als eigene Arten denn als Wirtsrassen angesehen werden können. Die mtDNA-Daten deuten darauf hin, dass C. heterophyllum der ursprüngliche Wirt gewesen ist und dass der Wirtswechsel im Laufe der letzten Eiszeit stattgefunden hat. Dabei scheint ein peripatrisches Szenario am wahrscheinlichsten, bei dem die relative Häufigkeit der Wirte für den Differenzierungsprozess die entscheidende Rolle spielte.

Molecular phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Europe

Phylogeography is a recent field of biological research that links phylogenetics to biogeography through deciphering the imprint that evolutionary history has left on the genetic structure of extant populations. During the cold phases of the successive ice ages, which drastically shaped species’ distributions since the Pliocene, populations of numerous species were isolated in refugia where many of them evolved into different genetic lineages. My dissertation deals with the phylogeography of the Woodland Ringlet (Erebia medusa [Denis and Schiffermüller] 1775) in Central and Eastern Europe. This Palaearctic butterfly species is currently distributed from central France and south eastern Belgium over large parts of Central Europe and southern Siberia to the Pacific. It is absent from those parts of Europe with mediterranean, oceanic and boreal climates. It was supposed to be a Siberian faunal element with a rather homogeneous population structure in Central Europe due to its postglacial expansion out of a single eastern refugium. An already existing evolutionary scenario for the Woodland Ringlet in Central and Eastern Europe is based on nuclear data (allozymes). To know if this is corroborated by organelle evolutionary history, I sequenced two mitochondrial markers (part of the cytochrome oxydase subunit one and the control region) for populations sampled over the same area. Phylogeography largely relies on the construction of networks of uniparentally inherited haplotypes that are compared to geographic haplotype distribution thanks to recent developed methods such as nested clade phylogeographic analysis (NCPA). Several ring-shaped ambiguities (loops) emerged from both haplotype networks in E. medusa. They can be attributed to recombination and homoplasy. Such loops usually avert the straightforward extraction of the phylogeographic signal contained in a gene tree. I developed several new approaches to extract phylogeographic information in the presence of loops, considering either homoplasy or recombination. This allowed me to deduce a consistent evolutionary history for the species from the mitochondrial data and also adds plausibility for the occurrence of recombination in E. medusa mitochondria. Despite the fact that the control region is assumed to have a lack of resolving power in other species, I found a considerable genetic variation of this marker in E. medusa which makes it a useful tool for phylogeographic studies. In combination with the allozyme data, the mitochondrial genome supports the following phylogeographic scenario for E. medusa in Europe: (i) a first vicariance, due to the onset of the Würm glaciation, led to the formation of several major lineages, and is mirrored in the NCPA by restricted gene flow, (ii) later on further vicariances led to the formation of two sub-lineages in the Western lineage and two sub-lineages in the Eastern lineage during the Last Glacial Maximum or Older Dryas; additionally the NCPA supports a restriction of gene flow with isolation by distance, (iii) finally, vicariance resulted in two secondary sub-lineages in the area of Germany and, maybe, to two other secondary sub-lineages in the Czech Republic. The last postglacial warming was accompanied by strong range expansions in most of the genetic lineages. The scenario expected for a presumably Siberian faunal element such as E. medusa is a continuous loss of genetic diversity during postglacial westward expansion. Hence, the pattern found in this thesis contradicts a typical Siberian origin of E. medusa. In contrast, it corroboratess the importance of multiple extra-Mediterranean refugia for European fauna as it was recently assumed for other continental species.

Evolution of South African Bruniaceae: evidence from ecological and geographical investigations

The central aim of the present study was to analyse ecological and geographical mechanisms that led to the species diversity and distribution pattern of the South African (sub-) endemic Bruniaceae shown today. To answer the question if the endangerment of some species and the sometimes restricted distribution area is due to an incongruence of pollination and breeding system, pollinator observations and the breeding system were analysed. rnThe effectiveness of the plant-pollinator interactions should be reflected in the reproductive success wherefore fruit set analyses were carried out. The genetic constitution of distant and close-by populations along a spatial gradient should illuminate gene-flow or habitat isolation that could have led to the species diversity. Since niche-inhabitation could be shown in the present study, an overall biogeographical analysis illuminated the distribution pattern on family level and the geographical as well as ecological factors that led to species persistence. rnThe study illuminated that the plant-pollinator interactions and the breeding system are adaptations to the fynbos biome but can not be defined as factors that drove speciation or have tremendous influence on distribution of Bruniaceae. In fact the geography of South Africa with its fragmented landscape as well as close niche-inhabitation of co-occuring species is the reason for species diversity and the recent distribution.rn

Comparative phylogeography of two co-distributed arctic-alpine freshwater insect species in Europe

The distribution pattern of European arctic-alpine disjunct species is of growing interest among biogeographers due to the arising variety of inferred demographic histories. In this thesis I used the co-distributed mayfly Ameletus inopinatus and the stonefly Arcynopteryx compacta as model species to investigate the European Pleistocene and Holocene history of stream-inhabiting arctic-alpine aquatic insects. I used last glacial maximum (LGM) species distribution models (SDM) to derive hypotheses on the glacial survival during the LGM and the recolonization of Fennoscandia: 1) both species potentially survived glacial cycles in periglacial, extra Mediterranean refugia, and 2) postglacial recolonization of Fennoscandia originated from these refugia. I tested these hypotheses using mitochondrial sequence (mtCOI) and species specific microsatellite data. Additionally, I used future SDM to predict the impact of climate change induced range shifts and habitat loss on the overall genetic diversity of the endangered mayfly A. inopinatus.rnI observed old lineages, deep splits, and almost complete lineage sorting of mtCOI sequences between mountain ranges. These results support the hypothesis that both species persisted in multiple periglacial extra-Mediterranean refugia in Central Europe during the LGM. However, the recolonization of Fennoscandia was very different between the two study species. For the mayfly A. inopinatus I found strong differentiation between the Fennoscandian and all other populations in sequence and microsatellite data, indicating that Fennoscandia was recolonized from an extra European refugium. High mtCOI genetic structure within Fennoscandia supports a recolonization of multiple lineages from independent refugia. However, this structure was not apparent in the microsatellite data, consistent with secondary contact without sexual incompability. In contrast, the stonefly A. compacta exhibited low genetic structure and shared mtCOI haplotypes among Fennoscandia and the Black Forest, suggesting a shared Pleistocene refugium in the periglacial tundrabelt. Again, there is incongruence with the microsatellite data, which could be explained with ancestral polymorphism or female-biased dispersal. Future SDM projects major regional habitat loss for the mayfly A. inopinatus, particularly in Central European mountain ranges. By relating these range shifts to my population genetic results, I identified conservation units primarily in Eastern Europe, that if preserved would maintain high levels of the present-day genetic diversity of A. inopinatus and continue to provide long-term suitable habitat under future climate warming scenarios.rnIn this thesis I show that despite similar present day distributions the underlying demographic histories of the study species are vastly different, which might be due to differing dispersal capabilities and niche plasticity. I present genetic, climatic, and ecological data that can be used to prioritize conservation efforts for cold-adapted freshwater insects in light of future climate change. Overall, this thesis provides a next step in filling the knowledge gap regarding molecular studies of the arctic-alpine invertebrate fauna. However, there is continued need to explore the phenomenon of arctic-alpine disjunctions to help understand the processes of range expansion, regression, and lineage diversification in Europe’s high latitude and high altitude biota.

Quantum Einstein gravity - advancements of heat kernel-based renormalization group studies

The asymptotic safety scenario allows to define a consistent theory of quantized gravity within the framework of quantum field theory. The central conjecture of this scenario is the existence of a non-Gaussian fixed point of the theory's renormalization group flow, that allows to formulate renormalization conditions that render the theory fully predictive. Investigations of this possibility use an exact functional renormalization group equation as a primary non-perturbative tool. This equation implements Wilsonian renormalization group transformations, and is demonstrated to represent a reformulation of the functional integral approach to quantum field theory.rnAs its main result, this thesis develops an algebraic algorithm which allows to systematically construct the renormalization group flow of gauge theories as well as gravity in arbitrary expansion schemes. In particular, it uses off-diagonal heat kernel techniques to efficiently handle the non-minimal differential operators which appear due to gauge symmetries. The central virtue of the algorithm is that no additional simplifications need to be employed, opening the possibility for more systematic investigations of the emergence of non-perturbative phenomena. As a by-product several novel results on the heat kernel expansion of the Laplace operator acting on general gauge bundles are obtained.rnThe constructed algorithm is used to re-derive the renormalization group flow of gravity in the Einstein-Hilbert truncation, showing the manifest background independence of the results. The well-studied Einstein-Hilbert case is further advanced by taking the effect of a running ghost field renormalization on the gravitational coupling constants into account. A detailed numerical analysis reveals a further stabilization of the found non-Gaussian fixed point.rnFinally, the proposed algorithm is applied to the case of higher derivative gravity including all curvature squared interactions. This establishes an improvement of existing computations, taking the independent running of the Euler topological term into account. Known perturbative results are reproduced in this case from the renormalization group equation, identifying however a unique non-Gaussian fixed point.rn